（航空宇航制造工程专业论文）数字化弯管系统及关键技术研究.pdf

塑要 摘要 在国内航空企业中，大直径薄壁导管弯曲成形是尚未解决的技术难题，长期 以来制约着我国民用飞机的研制，本文提出建立数字化弯管系统，实现导管设计 制造的全数字量传递，用数字量传递的导管设计制造体系代替传统的用模拟量传 递的导管设计制造体系，提高导管的成形质量与制造效率，加速解决大直径薄壁 飞机导管数控弯曲难题。 本文详细的研究了数字化弯管系统的总体模式与体系结构，对数字化弯管系 统的体系结构、功能模块、运行流程、数据流程等作了详细的规划与设计，并提 出了数字化弯管系统的实施应用方案及注意事项；分析了弯管知识的特点，设计 了数控弯管知识库，对数控弯管知识库的功能、结构、工艺知识表以及各知识表 之间的逻辑关系做了详细的设计；研究了导管三维建模以及与后续的接口技术、 管形检测技术、导管展开与增量弯管程序的编制技术。 本文基于v c + + 6 0 和c a t i a 开发了数字化弯管快速设计系统和数字化弯管模 型预处理系统，实现了导管零件的快速设计和参数特征的快速提取；基于c b r 原 理，运用v c + + 6 0 和o r a c l e 初步开发了数控弯管知识库；运行经验公式和知识库 修正的方法开发了数字化弯管毛坯展开系统和增量弯管程序的编制系统。 通过上述技术的研究与开发，本文走通了数字化弯管系统的一条主线，证明 了本文所构建的数字化弯管系统是正确的，为实现导管零件设计制造过程的全数 字化起到了一定的探索作用，同时对其它钣金零件实现设计制造过程的全数字化 有一定的参考作用。 关键词：数字化弯管系统，快速设计，知识库，毛坯展开，增量弯管程序 摘要 a b s t r a c t t h eb e n d i n go f t u b ew h i c hi st h i n - w a l la n d l a r g ed i a m e t e ri sd i f f i c u l ti nd o m e s t i c a v i a t i o nc o r p o r a t i o n t h em a n u f a c t u r eo fc i v i lp l a n ew a sr e s t r i c t e db yt h a t i nt h i s p a p e r , ad i g i t a ls y s t e mo f t u b eb e n d i n gw a sb r o u g h tu p ，r e a l i z i n gt r a n s f e ro f t h ed i g i t a l i n f o r m a t i o na b o u tt h et u b ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gi n s t e a do fa n a l o gi n f o r m a t i o n t h ef o r m i n gq u a l i t ya n dm a n u f a c t u r ee f f i c i e n c yo ft u b ep a r tw i l lb ei m p r o v e db yt h e d i g i t a ls y s t e mo ft u b eb e n d i n g ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rs o l v i n gt h eb e n d i n go f t h i n - w a l la n dl a r g ed i a m e t e rt u b e i nt h i sp a p e r , t h eo v e r a l lp a t t e ma n dt h es y s t e ms t r u c t u r eo fd i g i t a ls y s t e mf o r t u b eb e n d i n ga r er e s e a r c h e di nm u c hd e t a i l a n ds y s t e ms t r u c t u r e ，f u n c t i o nm o d u l e s ， r u n n i n gf l o w , d a t af l o wa r ep l a n e da n dd e s i g n e d t h e nt h ep r o j e c ti m p l e m e n ta n di t s a t t e n t i o n sa r ep r e s e n t e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ep r o c e s so ft u b eb e n d i n g ，ak n o w l e d g e d a t a b a s eo f n u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) t u b eb e n d i n gw a sa m p l yd e s i g n e d ，c o n t a i n i n gi t s f u n c t i o n ，s t r u c t u r e ，t h el i s to fc r a f tp l a n n i n ga n dt h el o g i c a lr e l a t i o n s h i po fa l lk i n d so f d i f f e r e n tk n o w l e d g el i s t s r e s e a r c h e st h r e e - d i m e n s i o nm o d e l i n go ft u b ea n di t s f o l l o w i n gi n t e r f a c e c h e c ka n dm e a s u r et e c h n o l o g y , t u b ee x p a n s i o na n di n c r e m e n t t u b eb e n d i n gp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r b a s e do nv c + + 6 0a n dc a t i a ，b o t ht h es y s t e mo fr a p i dd e s i g nt od i g i t a lt u b e b e n d i n ga n ds y s t e mo fm o d e lp r e t r e a t m e n to fd i g i t a lt u b eb e n d i n ga r ed e v e l o p e dt o i m p l e m e n tt h er a p i dd e s i g no ft u b ea n dr a p i de x t r a c t i n go fp a r a m e t e rf e a t u r e n ct u b e b e n d i n gk n o w l e d g ed a t a b a s ew a sd e v e l o p e db a s e do nv c + + 6 0a n do r c a l a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc a s e b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) ，t h es y s t e mo fr o u g h c a s t d e v e l o p m e n ta n dt h es y s t e mf o rc r e a t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ed e v e l o p e db yu s i n g e x p e r i e n c ef o r m u l a sa n dk n o w l e d g e t h r o u g ht h ea b o v e - m e n t i o n e ds t u d ya n dd e v e l o p m e n t ，am a i nr o u t eo f t h ed i g i t a l s y s t e mo ft u b eb e n d i n gi sp a s s e dt h r o u g h ，s h o w i n gt h a tt h ed i g i t a ls y s t e mo ft u b e b e n d i n gi s f e a s i b l e a n dw h o l ed i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go ft u b ew a s d i s c o v e r e dt h r o u g ht h a t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sav a l u a b l er e f e r e n c et ot h e w h o l e d i g i t a lm a n u f a c t u r i n go f o t h e ra i r c r a f ts h e e tm e t a l k e y w o r d s ：t h ed i g i t a ls y s t e mo f t u b eb e n d i n g ，r a p i dd e s i g n ，k n o w l e d g ed a t a b a s e ， r o u g h c a s td e v e l o p m e n t ，i n c r e m e n tt u b eb e n d i n gp r o g r a m i i i 篇一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术和工韭艇产静不断发滏，在簸聋稍造、工程枫械、动力机械、 农牧机械、石油化工、轻工及交通运输等工业部门中，已广泛采用管材制造零件。 警奉孝塑毪撩工是淡管耱 搴燕坯，遗过辇牲热工手蔽，铺造管材零件的船工技术“3 。 管材塑性加工由于容易达到对产品轻量化、强韧化和低消耗方面的要求，融成为 宠遘鋈牲翻工技术嚣超2 l 毽纪骚究与发麓豹一个鬟要方囱1 。 飞机的液压、燃油、环控、供氧等系统均主要依靠导管来做传递工作介质， 蠢予飞撬及其发韵掇主赘浮管缦多，又要求霉霹憝节省导篱所占空蠢，因藏爨须 将导管弯曲成各种形状，以避免在有限的空间互相干涉。飞机导管的生产顾临材 攀善多、援鬃套、秘类多、公差套等淹蘧，绘导警鸾整成形豢来一淹瓣霾鼹。 由于数控弯管满足管材塑性弯曲成形高技术化、精确化、高效率的需要，数 控弯莛己邂步伐鸷传统熬弯鏊，占器了耋要建蕴”1 。舞爨诞导譬零转懿裁逑疆度 和互换性，长期以来，导管零件的设计制造过程主要采用比值、实样等模拟量传 递海主要孛孥 芷熬设诗劐造技寒钵系，这秘体系存褒毒年多弊溃，影蛹导警零转懿送 一步发展和提高。 2 0 世纪7 0 年代以来，萎匿飞枧意i 造妲开始竞耀采用戥数字量传递尺寸戈主 要特征的设计制造体系来进行技术改造。数字化设计、加置、分析技术以及数字 化制造中的资源管理技术餐构成了数字化巷造熬支撑技术。是实现数字他制造载 重要途径姆”3 。 大直镪薄壁导管是飞机的关键零l 牛，谯加工制造过程中暴出璃起皱、破裂、 截面畸交等成形缺陷。目前，国内航空企渡不具备大直径薄壁导管的生产能力， 长期以来，大直径薄壁导管的弯曲嚣4 造一嶷制约麓我国民阏飞机的研制。本文提 出建立数字化弯警系统，实现导管零件设计、工慧设计、横具设计制造、数控弯 睦与检测的全数字量传递，用数字嫩传递的导管设计制造体系代替传统的用模拟 壁传递的浮管设计铆造体系，提离导管豹戚形质鼙与制造效率，加速解决丈直径 薄壁飞机母管数控弯曲难题。 1 2 术语定义 系统：系统魑一个可辨识的、复杂的动态实体，由相甄关联、相互依赖的具 考不同特征的予系统所缀戏，其整体l 保持稳定馕，并戆调整其褥为以适疲铃器 的影响。 管料嫩性加t ；管料塑性加工是以管料作为葱蟋，遥过塑性擞蠢手段，测造管 西北工业大学硕士学位论文 料零件的加工技术。管材塑性加工是对管材的二次加工，属于管材深加工技术范 畴。 弯曲：将材料包括板材、型材或管材弯曲成一定曲率一定角度而成形出零件 的工艺方法称为弯曲。 数字化：数字化是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程。 数控弯管机：数控弯管机分为模块式数控弯管机和滚轮式数控弯管机，模块 式数控弯管机属于矢量弯管机，是目前主要采用的数控弯管机，通常所说的数控 弯管机即为模块式数控弯管机。数控弯管机是基于矢量弯管原理，运用微机控制， 完成用户所需的任意空间立体管形，是现代弯曲成形的重要加工设备。 数字化弯管系统：数字化弯管系统是基于数字化技术建立的一个全数字量传 递的导管设计制造系统，是利用信息技术、计算机辅助技术及数控弯管技术将导 管零件设计，工艺设计，模具c a d ，复杂弯管仿真技术，数控弯曲及检测技术等 集成起来的导管设计制造系统。 增量管形数据：基于矢量弯管原理的管形数据，管形的每一个弯包括导管零 件两弯间的直线送进距离、空间转角、弯曲角三个数据，某一个弯的数据是依前 一个弯的数据为基准而产生，所以叫“增量管形数据”。 增量弯管程序：与增量管形数据相比，“增量弯管程序”考虑了导管弯曲中 的“回弹”和金属材料的“拉伸”，并考虑了具体弯管机的特性尺寸，是“增量 管形数据”经“回弹”修正后得到的，是直接用于导管数控弯曲的加工参数。 矢量弯管技术：以矢量理论为基础，把管形上的每个直线段的中心线看成一 系列的空间矢量，利用矢量的基本概念和运算，精确地计算出“增量管形数据”， 并经“回弹”修正后，编制“增量弯管程序”，以控制矢量弯管机。弯曲后的管 子还可以进行自动检验，与标准管形数据相比较，算出“差值”，并用“差值” 修正增量弯管程序，得出新的增量弯管程序，再去弯制下一根管子。 1 3 选题来源与研究对象 1 3 1 选题来源 本文来源于“大直径薄壁飞机导管数控弯曲成形技术研究”。此项目研究内 容主要包括工艺、模具、数字化三个部分，本论文主要对数字化的部分内容进行 研究。 1 3 2 研究对象 根据不同的依据，弯管工艺有多种分类方法“o ( 如图卜1 所示) ，根据管坯 在弯曲时是否加热，弯管工艺可分为热弯加工与冷弯加工两类( 如图1 - 2 所示) ； 2 第一章绪论 根据弯曲方式的不同，分为拉弯、压弯、绕弯、推弯、滚弯和挤弯等：根据弯曲 时导管的受限方式可分为管件内部受限、管件外部受限和管件内外受限n 2 ，；根据 弯曲时有无芯料填充可分为有芯弯曲与无芯弯曲。 图1 i 导管零件分类 图i - 2 导管弯曲方法分类 本文的研究对象是采用模块式数控弯管机运用绕弯方式弯曲的导管类零件， 此类导管零件由许多直线段和弯曲( 圆弧) 段组成，并且直线段比圆弧段的数目 多l ( 除螺旋形状和复合弯等特殊形状以外的导管零件) 。 采用模块式数控弯管机运用绕弯方式弯曲的导管类零件可以分为大直径薄 壁导管与小直径导管两类，一般认为直径在3 0 一1 5 0 r a m 之间，壁厚小于等于2 哪， 弯曲半径是管子外径的2 倍以上、3 倍以下的飞机导管( 特殊材料) 为大直径薄 壁导管。本文的研究对象包括此两类导管零件。 1 4 技术发展现状 西北工业大学硕士学位论文 传统的导管是采用成套模具进行弯曲的，其手工加工是利用模块和滚轮进行 弯曲，难以保证成形质量。工业发达国家已研制成功许多先进的数控弯管机，例 如美国伊顿一列昂纳德( e a t o n l e o n a r d ) 公司于2 0 世纪7 0 年代研制生产了一种 计算机数控矢量弯管设备，近年来普遍为西方航空公司所采用。数控弯管在美国 波音、欧洲空客等航空企业已经是比较成熟的技术。国内有很多企业也研制了数 控弯管机，但从性能和质量上同国外数控弯管设备还存在着较大的差距。 目前，国内外航空企业已基本采用数控弯管设备进行导管的数控弯曲，但在 导管设计制造体系方面有很大的不同，在美国波音、欧洲空客等航空企业，飞机 设计制造过程已经采用全数字量传递的方式进行设计制造。我国大部分的航空企 业在导管的设计制造过程中，已有相当的数字化技术应用，在导管设计过程中已 采用c a t i a 、u g 等先进的c a d 设计软件，导管零件的弯曲过程中已购买或自制了 数控弯管机，但数字化技术的应用主要集中在导管零件的设计与数控加工中，中 间存在“信息孤岛”。 国内外许多学者研究了c a d c a p p c a m 的集成问题，苏运俊等研究了c a d c a m 集成系统的框架“”，郭仲伟等研究了计算机集成制造系统( e l m s ) 的体系结构、 模型与方法3 。目前，还没见到数字化弯管系统方面的文献。但在导管设计制造 过程中的数字化技术方面，国内外学者进行了大量研究，部分内容的研究技术现 状如下： 1 4 1 导管数值模拟技术 y y o k o u s h i “”对管材弯曲时的截面变形作了研究和数值模拟，研究表明截 面的变形会明显地减小弯曲力，因此在有限元模拟时会严重地影响力和截面变形 的计算结果；f o r d ep a u l s e n ，t o r g e i rw e l o “”采用商用有限元软件m a r c 对矩形 截面管材弯曲作了数值模拟，在起皱、外侧塌陷、截面变形等方面模拟结果和实 际情况相符合。j a e b o n gy a n g “7 3 采用商用有限元软件p a m - s t a m p 模拟了数控弯 管成形过程，发现管材和防皱块之间的间隙是影响起皱的重要因素，同时随着弯 曲半径的减小，截面畸变率和壁厚减薄率将会变大。 赵臻淞开发了数控弯管仿真系统( n c t b s ) ，实现了广义的计算机辅助数控弯 管工艺设计“”，对导管成形的全过程进行了数值模拟。 1 4 2 导管三维快速建模技术 美国p & w 公司在2 0 世纪7 0 年代就开始进行交互式计算机辅助敷设管路系统 的研究，实现了计算机辅助下的管路创建，该系统可节约5 0 的设计费用，节省 5 0 敷设时间。进入九十年代后，g e 公司在设计g e 9 0 时，对外部管路的敷设提 4 第一章绪论 出了更高的要求，进一步完善了导管的快速建模。 张玉华簿应用a u t o l i s p 和d c l 进行了计算机辅助弯管设计( a p d ) 系统开发， 大大蛉加快了弯管钣金传的设计速度“。 1 4 ，3 导管几何仿真技术 数控弯管与数控切削加工相比，由于弯曲导管的大范围运动，与机床环境发 生碰攮豹可能性很大，所以必须对数控弯管j 童程遴行几侮仿真，而且幽于数控弯 簧机按不同管径范围面成系歹4 ，故仿真必须瓯向多台机床，需要针对不同系列的 数控弯管机开发不同的数控弯管几何仿真系统。 何卫平等3 提出的t u b e m o d 系统建立了数控弯管机床的几何、运动、变形、 调试及干涉测试的总体仿囊模型，可对数控弯管全过程进行三维动态撮示。曲学 军“研究了飞机弯管构件的加工仿真，可对导管加工的全过程进行仿真，并进行 干涉检测处理。 1 4 4 弯管模设计制造技术 r o n a l dr s t a n g e 。2 1 详细的研究了弯管摸具的组成、组成部分的设计制造以 及表面处理等。e r i cp s t a n g e 。”对弯管模制造检测做了详细研究。 陈生元【2 4 1 研究了弯管模具中模槽的结构，芯牟由的形式和安装，并通过实践经验 给出了一些模箕设诗参数。王连硬矧研究了弯管模具( 主要包括弯鳇模、夹紧钳 口、聪料滑槽( 随动模) 和芯轴等) 的设计与工艺。 1 。4 。5 管形检测技术 般常见的丽弹修正、起弯点修正、伸长规律修正等方法已经应用于现代矢 量弯管极的测量中，所以检测与修正对于一般类烈的导管零件现在应用已比较完 镌，但是如果是特殊类型的导管零件，比如材料特殊，加工温度特殊等情况下导 管的检测与修正又成为一个难题，尤其是对于大赢径薄壁飞机导管的数控检测与 修正更是菲常匿难。 1 4 6 导警展开与增量弯管程序编制技术 吴树勋伽3 提出了一种弯管坐标矢爨计算和加工的方法，可以方便求得导管的 展开( 理论展开) 长度和增量管形数据。张虎等研究了弯管c n c 加工中的参数 转换，搀导管的空阗绝对坐标表示转换为增量管形数摄作为导管加工参数进行数 控弯曲。 两北工业大学硕士学位论文 综合分析技术发展现状，数字化弯管系统需包含总体模式与体系结构、导管 数馕模拟、导管三缀快速建模、导镑工序娥划与仿粪、弯管模的设计囊4 造、导管 展歼、增量弯管程序的编制、管形梭测修鬣等内容，具体分析如下： 日煎，还没见到数字化弯管系统方蕊的文献，本文提出建立数字化弯管 系统，研究数字纯耷管系统的总体模式与体系结构，对数字化弯管系统 做总体规划与设计； 通道函内外学者的努力，导管成形过程的数值模揿已l 经取得了很大的进 步，用于指导导管零件的数控弯曲，尤其谯大直径薄壁导铸数控弯曲研 究巾，导管数蓬模撅技术受蹩数字化弯管系统必不讶少的部分； 国内外对导管三维快速建模进行了大量研究，但都没考虑与工艺、模具 鹣接目阉瑟，数字纯弯管系统包含警管三维浃速建摸莠充分考虑与工艺、 模嶷的接口问题。 雹海羚学者在导瞽咒籍谚冀方瑟 薮了大量鹾究，毽怼王净戋凳翊蠡穹磷究毙 较少，数字化弯管系统包含导管工序规划与几何仿舆系统，不仅簧对导 餐= 逡行凡麓谚奏，嚣显要程接囊懿簇萎窭上逡行合毽瓣导警王摩焱翊。 弯管模的设计制造阉内外学者做了大量研究，但对大直径簿壁飞机导管 弱弯警模数磺究毙较少，数字纯弯管系统氛食弯警模豹设计蓑造，疆究 小赢径与大直径弯管模的设计制造； 警澎捻测与修正技零辩，j 、囊径导警已经魄较戍熬，瑷有懿窍警测爨极已 满足要求，但对大溉径薄懿飞机导管的管形检测与修正研究较少，数字 化弯警系绞包含管澎检测与修正，萋嚣究太嶷径薄壁飞枧导慧豹彗影检测 与修正； 导赣展开爨裁的磺究主要袋鹰对导管几傅鼹开数攒，搬上嬲工余爨。出 于爵管在弯曲过程中的“阐弹”和材料的“拉伸”等问题，导管所需的 毛料长度这样计算是不够科学的，尤其是对于大嶷经薄壁飞机导餐的展 开，“回弹”和材料的“拉伸”问题更加复杂，所以数字化弯管系统需包 含导管展开技术； 增激弯管秘序的编制目前的研究主露采用增量管形数据，经过测爨机的 简单修正，作为导镣加工参数，使导管弯曲的试弯次数增多。对于大直 径薄壁飞机导管的加工参数如果采用此方法无法邋行数控弯曲，所以数 字化弯管系统需包禽增量弯管程序的编制技术。 对静管豹域形缺酪每极限豳内外学者做了大量研究，僵对大直径薄壁飞 机导管的成形缺陷妁极限研究较少，而此问题更复杂，所以数字化弯管 系统需苞含导管成形往评髂技术，研究，j 、赢径导管与大壹径导管的成形 6 第一章绪论 缺陷与极限的评储； 1 5 研究目的与意义 我国靛空企鼗导管静设计潮造流程( 翔圈1 - 3 掰示) 怒在飞祝定型投产后， 取标准样件实样( 如图1 - 4 所示) ，通过测量机对实样测量取得导管的几何信息， 将模羧蠢转换为数字量( 增薰管形数据) 势经篱擎修正螽传递绘数控弯管枫迸行 弯曲，最厝通过跟实样对比进行检验。 潮1 - 3 数挖弯警热z 现有溅程努秽亍 匿1 - 4 秘鼷檬臻弯头鼗捞 由于目前流稷中采用模拟量j 捷行信息传递，数字化仪应用于导管零件设计、 霉润数控鸯馨工等方瑟，孛瘸没骞实璜数字爨靛传递，存奁翔下阉遴： 禚导管设计中虽然已经采用c a d 软件进行三维设计，但设计过程比较烦 琰，露量郡嚣要专门豹设诗夫曼避孬设诗，在浚谤过程孛没毒绕一夔设 计步骤，没有考虑接口问题： 农飞瓿上敬实襻，害孥实榉傣必毒逡相检验豹标璇，在溅爨提测实栉时与 工件弯曲以后判断是否与实样相同时，容易产生偏差，需霹反复修改参 西北工业大学硕士学位论文 数，由取样得出的标准实样在成批生产前至少要在三架飞机上试装，确 认良好，方可正式投入生产使用，过程非常复杂，加大了工人劳动强度， 浪费了大量时间； 为了使同一型号的飞机或发动机上的管予能够互换，标准样件必须妥善 保管，以作为每批生产时的依据和验收标准。不仅正在生产飞机的标准 样件，而且包括过去所有生产过的不同型号的飞机导管标准样件，由于 要提供备件，都必须储存起来，以保证用户的需要。每生产一种新型号 的飞机，都要制造和储存这些标准样件，需要庞大的仓库或车间； 由于管材进行弯曲之前没有进行成形评估，能否进行数控弯管主要依靠 工人经验判断，出于保险系数的考虑，将一些本来可以用数控弯管机弯 曲的管材通过手工成形弯曲，降低了设备的利用率； 第一次采用的加工参数为测量机测取实样得到的增量管形数据，经数控 测量机简单修正后作为加工数据，增加了试弯次数： 由于管子的弯曲角度、两相邻弯平面间的空间夹角以及两个弯之间的直 线距离都不能进行直接测量或很难测量准确，再加上弯管过程中的“回 弹”等一系列工艺和操作问题，在弯制管子时完全凭借操作者的经验和 技术熟练程度，因此，每根管子在验收之前，大都要进行手工校正，而 且难免会出现“反复”弯曲、“串弯”等现象； 对于弯管加工过程中积累的比较成功的经验，主要存在于操作员本身， 没有很好的完善经验积累。 通过对技术发展现状与现有航空企业导管的设计制造流程分析，本文研究目 的和意义如下： 1 ) 在国内航空企业中，大直径薄壁飞机导管数控弯曲成形是尚未解决的技 术难题，国内一直在努力解决此难题，通过研究数字化弯管系统，将数值模拟技 术、导管弯曲工序规划与仿真技术、成形缺陷与极限评估技术、弯管模c a d 技术、 知识库技术应用到此难题的解决中，缩短解决难题的时间，同时在解决此难题后， 使其直接应用数字化弯管系统，保证大直径薄壁飞机导管的成形质量与效率； 2 ) 针对现有导管设计制造流程采用模拟量传递，影响导管的设计制造质量 与效率，本文提出建立数字化弯管系统，实现导管设计制造的全数字量传递，通 过将数值模拟技术、导管弯曲工序规划与仿真技术、成形缺陷与极限评估技术、 弯管模c a d 技术、知识库技术等应用到导管的设计制造过程中，进一步提高导管 的设计制造质量与效率； 3 ) 通过研究数字化弯管系统的总体集成模式与体系结构，对数字化弯管系 统做总体规划设计，为数字化弯管系统的实现起到一定的探索与指导作用； 第一章绪论 4 ) 通过研究导管三维快速建模及后续接口技术，实现导管的快速设计，并 充分考虑设计与工艺、模具的接口问题 息传递效率； 5 ) 通过研究数控弯管知识库技术， 去掉取实样的中间过程，提高设计与信 解决目前成功弯曲经验的积累主要存在 于操作员本身的问题，将导管弯曲的成功经验有层次的积累起来，为后续导管的 设计制造提供参考，在解决大直径薄壁飞机导管数控弯曲时，可通过经验的积累 加快解决此难题的效率； 6 ) 通过研究导管展开技术，将导管模型展开数据采用经验修正与知识库修 正结合的方法改变现在一直沿用的运用导管模型展开数据，加工艺余量的方法， 提高导管展开精度； 7 ) 通过研究增量弯管程序编制技术，运用将增量管形数据采用经验修正与 知识库修正结合的方法得到增量弯管程序，减少导管试弯次数，提高导管成形质 量与加工效率； 本文的研究可以极大的提高导管零件的成形质量，降低工人劳动强度，最大 限度的发挥数控弯管机的使用效能，加速解决大直径薄壁飞机导管的数控弯曲难 题，是对数字化弯管系统的探索研究，同时可为型材、板材等其它钣金零件设计 制造过程实现全数字量传递提供参考。 1 6 本文主要研究内容及内容编排 1 6 1 研究内容 由于数字化弯管系统是一个庞大复杂的系统，研究内容多而且复杂，需要不 断的进行研究与积累，本文只是对数字化弯管系统的探索，其研究内容只是数字 化弯管系统中一部分，本文所做的主要工作如下： 体系结构：本文提出数字化弯管系统，研究其总体模式与体系结构，对 数字化弯管系统做总体规划设计： 导管设计制造体系：本文提出用数字量传递的导管设计制造体系代替传 统的用模拟量传递的导管设计制造体系： 数字化技术：开发了数字化导管快速设计与模型预处理系统，解决导管 的快速建模与后续接口问题；初步开发了数控弯管知识库，完善导管经 验的积累；初步探索了管形检测与修正技术，提出了大直径薄壁飞机导 管在管形检测与修正方面需要解决的问题；采用经验公式与知识库修正 相结合的方法，开发了导管展开与增量弯管程序编制系统。 本文主要研究内容如下： 数字化弯管系统总体集成模式与体系结构，研究数字化弯管系统的体系 9 西：l h i 业大学硕士学位论文 结构、功能设计、运行设计等，对数字化弯管系统做一个总体规划设计： 导管三维建模与展开技术，研究导管的快速建模、模型预先处理，导管 的理论展开与修正展开技术； 增量弯管程序的编制与管形检测修正技术，研究修正增量管形数据得到 增量弯管程序的方法，初步探索了大直径薄壁飞机导管的管形检测修正 技术； 数控弯管知识库，研究数控弯管知识的特点、推理方式，数控弯管知识 库的结构、功能模型等。 1 6 2 内容编排 本论文共分为六章，具体论述如下： 第一章绪论：分析了现有导管设计制造过程中的不足，介绍了本论文研究的 目的意义、主要研究内容及论文章节安排； 第二章数字化弯管系统的总体集成模式与体系结构：详细的研究了数字化弯 管系统的体系结构、功能模块、运行方式等，并提出了数字化弯管系统的实施应 用方案及注意事项； 第三章导管三维建模与展开技术：分析了导管模型的特点、建模规范与空间 描述方式，研究了导管展开技术。基于v c + + 6 0 与c a t i a 开发了导管三维快速 建模与模型预处理模块，以实例的方式论述了导管三维快速建模、模型预处理的 运行步骤。引入了一般导管加工状态下的所用到的导管展开修正经验公式，并基 于v c + + 6 0 开发了导管展开模块，以运行实例的方式论述了其运行步骤；。 第四章增量弯管程序编制与管形检测修正技术：分析了增量弯管程序与增量 管形数据的区别，研究了增量弯管程序的影响因素、编制方案，引入了一般导管 加工状态下的所用到增量弯管程序编制的经验公式，并基于v c + + 6 0 开发了增 量弯管程序模块，并以运行实例的方式论述了其运行步骤，同时对管形检测与修 正做了初步探索； 第五章基于实例推理的数控弯管知识库：详细研究了数控弯管知识库的结 构、功能、知识表的设计以及各知识表之间的逻辑关系，并基于v c + + 6 0 与 o r a c l e 初步开发了数控弯管知识库： 第六章结束语：总结本论文完成的主要工作，并对下一步工作提出想法，总 结本论文研究实现过程中的一些心得体会。 1 0 第二章数字化弯管系统的总体模式与体系结构研究 第二章数字亿弯管系统的总体模式与体系结构 本章详细研究了数字化弯管系统的总体集成模式与体系结陶，包括数字化弯 管系统的总体设计、体系结构、功能设计、运行流程及实施方案等。 2 1 数字化弯管系统的总体设计 数字化弯管系统总体设汁如图2 1 所示，数字化弯管系统爵先运用c a d 软 件没诗导管数字亿模聚，其次根掘数字化模型述行导管成形工艺致模具优化设 计，工艺参数优化计算，生成控制指令，然后运崩数控弯管枫进行弯曲成形，最 后运用数控测量机进行导管质量检测，以测量数据对二 ：艺参数和n c 程序( 增量 弯管程序) 进行修正，以修正后的数据避行数控弯曲得到合格零件。 幽2 - 1 数字化弯管系统总体设计图 2 2 数字化弯管系统的体系结构 2 21 数字化弯管系统构成 数字化弯管系统由硬件和软件系统两部分组成，其中硬件系统包括数控弯管 机、数控测量搬、数控下料机、掰络设施等，软件系统包括导管零件的快速设计、 导管展开、数控弯管知识库簿。数字化弯管系统是硬件系统和软件系统的集成应 西北工北大学硕士学位论文 用。本文提出的数字化弯管系统的构成如图2 - 2 所示。 图2 - 2 数字化弯管系统的构成 数字傀弯警系统透过较俘系统窝硬释系统稳僖悫交互，采爱数字纯技术，饺 导管从零件设计、姆管展开、下料、模具设计、弯曲加工到屉后的数控测擞构成 一个全数字藿褥递戆导警浚计翻遥俸系。 2 2 ，2 数字仡鸾繁系统的体系结梅 跌系绫熬数字纯信患工其及支撵嚣境分撰，本文将数字纯弯警系统的体系缝 构分为三鼷，由图2 - 3 可见，支撑环境层、系统服务层和用户层，备层相互依存， 摆赢制约，礁傈系统豹正棠运行，鼗体系结构是瑟自信息集戏纛应用瓣三层缝誊窀， 具体解释如下： 用户鼷：主要包含人撬赛嚣，提供用户操终接日； 系统服务层：燕要包含系统各应用功能模块，实现系统的各种应用功能； 支撑黪境屡：包括硬传支持环境积软l 孛支持醛壤。其中，硬l 譬支持环境包括 网络设旄、数控弯管机、数控测量机簿，软件支持环境包括c a t i a 、o r a c l e 、v c + + 6 0 等； 入机界面：完成初始化数据输入，并承担人机交互操作； 弯管快速设诗：完成黪管零锋的三维抉逮建模，并考虑与后续鲍接口闳题： 弯管麟开：完成导管展开，为下料提供依据： 弯曲王序斡搜划与仿巍：完成弯管过程仿真与计算枧辅助工序规划； 数控弯管知谈库：积累成功经验，为精续导管的设计制造提供参考。 1 2 弯管系统软硬件集成 软件系统 硬件系统 第二章数字化弯管系统的总体模式与体系结构研究 用户层 系统服务层 7 支撑环境层 7 人机交互界面、 、 址丝型型 导管导管 弯管 弯管 导管 零件工艺 仿真 模具 零件 设计设计 模块 cad 修正 控制 模块 模块 模块 模块 r 1 _ 氍丁t 丌 t f，j 支撑环境 硬习陌i 数控测l 下 软件 网络 屯争帛 弯管 1 量机i机 设施件 料 机 图2 - 3 数字化弯管系统的体系结构 2 2 3 数字化弯管系统的信息逻辑关系 数字化弯管系统的信息逻辑关系如图2 4 示。导管设计制造过程中的数据集 合包括导管零件设计数据、导管模具设计制造数据、导管工艺数据及支撑环境提 供的数据。导管零件设计数据、导管模具设计制造数据、导管工艺数据之间都有 相关的信息交互，以保证数字量传递的连续性与完整性。 t ，* “h 翟鬣警 ：鉴兰一! 邕j 弯管零件设计数据集 i 与i 蠢【嵩? 熹 i ! f过擎 r 苎雩i 一7 f “! ! ! ! 竺! 竺 弯蕾工艺数据集 。一 髻嚣”i ”：【 l t j 牟- i 艺t 优他 图2 4 数字化弯管系统的信息逻辑关系 西北工业大学硕士学位论文 2 3 数字化弯管系统的功能设计 2 3 1 数字化弯管系统的功能组成 数字化弯管系统要实现导管设计制造过程的全数字量传递，需要具备如下功 能： 1 ) 导管零件的快速设计： 2 ) 导管工艺设计； 3 ) 接口转换： 4 ) 模具c a d ： 5 ) 导管检测与管形修正控制； 其中，工艺设计包括，成形缺陷和成形极限评估、弯曲伸长规律与毛坯展开、 弯曲工序的规划与仿真、数控弯管工艺知识库、数控弯管数值模拟等部分。数控 弯管接口转换包括模型预处理和增量弯管程序的编制两个部分。 通过将导管零件的快速设计、毛坯展开、导管工序的规划与仿真、数控弯管 知识的获取、导管检测与工序管形修正控制统- - n 数字化弯管系统中，确保了系 统间的强聚合弱耦合，增强了系统的扩展性，图2 - 5 为其功能组成图。 数 字 化 弯 管 系 统 数字化弯管快速设计模块 工艺设计模块 弯管模具c a d 模块 数控弯管接口转化模块 导管检测与管形修正控制模块 图2 - 5 数字化弯管系统功能组成图 2 3 2 数字化弯管系统的功能模块划分 模块是一个系统的可标识部分，用来完成一个具体给定的功能。一个系统包 含许多模块，这些模块在层次上的安排就像一棵树，最顶端的模块叫做总模块或 主模块，中层模块称为控制模块，叶子模块( 位于端点上的模块) 是详细模块。 结构图是用来展示系统模块之间的层次图，其基本组成部分是模块。结构图 的层次描叙了系统各部分的功能和子功能，是系统流程的一种表现方式。为了完 成系统的开发要求，实现系统流程，就必须在总体结构的基础上，结合系统流程， 对系统进行合适的模块切分，数字化弯管系统功能模块划分如图2 - 6 所示。 1 4 第二章数字化弯管系统的总体模式与体系结构研究 数字化弯管 系统 设计模块r 数控弯管数值模拟攘块，弯管材料库 l 数字化弯管工艺知识库 弯管回弹库 l 成形缺陷与极限库 嘲计妒帐黼一黧篓鬻群 成形缺陷和成形极限评估r 成形缺陷模块 模块 、成形极限模块 f 弯管仿真模块 l 弯管工序规划与仿真 数控弯管r 数字尝耋蓑篓型预 l 弯管加工工序规划模块 接星羹换t 增重弯管程序的 弯管模具j c d 模块弋 导管检测与 管形隹正控 、骧皱模鼹蕊捧等，其绩搀形式鄹尺寸参 数成接影响剿管件弯曲成形的质擞，弯管模具数字化设计需要开发弯管模舆c a d 模块，将c a d 设计驰弯管模具模型健输到数控设备避行数按加工终到合格蛇弯管 模具。弯管模具必须达到一定的强度和硬度条件，同时需要采用模具的数字化制 造，实现导管模舆设计制造的数字化； 5 ) 导镣检测与管形修正控制模块：导管检测魑导管成形质鬟的重要保证， 1 6 第二章数字化弯管系统的总体模式与体系结构研究 通过理论分析和试验研究，基于检测数据的管形修正技术，建立测量数据对管形 的修正算法，根据检测的信息与原导管模型信息进行匹配比较，计算出差值，由 修正因子算出修正值，修正工艺参数、增量弯管程序，形成弯管一检测修正一 弯管的闭环控制，减少试弯次数，提高导管成品率。 本文主要对导管三维建模、模型预处理、导管展开与增量弯管程序的编制、 管形检测修正做详细研究。 2 3 3 数字化弯管系统的功能模型图 通过对导管零件从设计、工艺、工装到加工的详细研究，数字化弯管系统的 功能模型如图2 7 所示。 图2 ，7 数字化弯管系统的功能模型图 2 4 数字化弯管系统的运行流程分析 数字化弯管系统的运行流程如图2 - 8 所示，具体如下： 1 ) 首先运用数字化弯管快速设计系统生成导管零件三维模型或者在数字样 机中直接获取导管零件三维模型，然后通过数字化弯管模型预处理系统对导管零 件三维模型进行模型预处理，将与管材成形有关的管径、壁厚、弯管半径、弯曲 路线信息以增量弯管数据格式输出； 1 7 西北工业大学硕士学位论文 2 ) 进行工艺设计，其中包括数控弯管数值模拟、成形极限和成形缺陷分析、 仿真干涉捻测与工序娌划、豫坯展拜等。对譬譬零l 孛三维模型进行戏形极黻期成 形缺陷分析，运用数控弯管王艺仿真系统进行干涉分析，如果导管零件的加工超 过成形极限、成形缺陷严重藏者发生手涉阏题，将停止流糕，如果成形极嫩和成 形缺陷分析和干涉分析都台格，进行下一步流程。在数字化弯管成形极限和成形 缺陷分析和干涉分柝都合格的基i 出上，运用数控弯簿数值模拟分析褥到含逡的工 艺参数，运翔毛坯鬣开系统进行展歼，为下料提供参考。将分析得到的工艺参数、 成形极限和成形缺陷分析、千涉分析等传i 貔给数控窍管机做加工参考； 3 ) 在工艺设计的基础上，通过模其设计，选择现有禳矮或者设计新横具。 检验现有弯管模具鼹否满足菝求，如果满足就运用现有弯管模具，如果不满足就 运髑弯管模其c a d 系统进行模具设计。对耷管模其避行设计时，簧提取弯管模其 库中的信息，作为参考依据，然后避用弯管模具c a d 系统进行设计，以减小弯管 模浚计翻造爱豹掺模量； 4 ) 运用增量弯管程序的编制模块编制增量弯铃程序。通过调用数字化弯管 模黧预楚理系统输獭豹增鬟管形数据，运麓经验公筑察知识蓐遗行修正得劐增量 弯管程序，输出给数控弯管机进行数控弯曲； & 。运穗罢警稔溅与管形掺垂控翻模块遴芎亍导警匏检_ ；樊| | 修正。嚣警检溺是弯 管质量的堂要保证，以模型预处理得到的增霆管形数据作为检测依据，如粜检测 不会貉，逶过久撬接珏修改参数毒次递孬数控弯兹褥至l 合格零箨，形藏弯管一捡 测一修正一弯管的闭环控制，减少试弯次数，提高弯管成品率。 豳2 - 8 数字化弯管系统的运行流程 2 。5 数字化弯管系统的数据流程分析 第二章数字化弯管系统的总体模式与体系结构研究 数据流程的目的是用来描述系统主要模块间的数据流动。数字化弯管系统 的数据流程如图2 - 9 所示。首先通过模型预处理子模块对导管的三维模型进行模 型预处理得到导管三维模型信息：导管零件信息用来检测导管零件的加工是否合 格，所以等同于检测信息，将此信息传递给数控测量机；导管零件信息经过工艺 设计得到工艺信息，其中包括毛坯展开信息、工艺参数信息、评估信息、工序规 划与干涉检测信息等，通过导管展开得到导管展开信息，将工艺信息等传递给工 艺员，并将合格的工艺信息保存到数控弯管知识库中；导管三维模型信息传递给 模具的设计制造，同时工艺信息也传递给模具的设计制造得到模具信息，并得到 模具传递给数控弯管机：工艺信息传递给增量弯管程序的编制模块，并通过经验 公式或者数控弯管知识库的加工实例表中的知识，编制增量弯管程序传递给数控 弯管机进行弯曲检测；检测不合格，修正增量弯管程序进行弯曲并保存成功的加 工数据到数控弯管知识库中。 小箭头表示过程间的相互驱动和信息数据的流动，大箭头 表示信息数据的产生与转换，文档框表示信息数据。 图2 - 9 数字化弯管系统的数据流程 2 6 数字化弯管系统主要功能模块问的接口分析 1 9 西北工业大学硕士学位论文 数字化弯管系统的接口研究主要是指导管数字化设计制造过程中的数据接 口。其中，数据接口是为数据交换服务而设计的统一规范的数据结构，以保证系 统数据能够形成各种正确的信息流，能被系统用户广泛、充分的利用。数据接口 设计是信息集成和共享技术中的一项基础工作。接口作为模块和系统进行交互的 通道，其规范的设计是系统实施成功的关键，既要实现多种系统的集成，又要保 证信息传递的流畅，因此，设计接口时必须具有严谨性、实用性。 数字化弯管系统主要包含的接口及传递的信息分析如下： 1 ) 导管零件三维快速设计与后续的工艺、模具、检测的公共接口； 此接口是通过接口转化模块数字化弯管模型预处理来实现。模型预处理 得到的导管模型信息直